Three-site kinetic model for selective catalytic reduction of NOX with ammonia over a commercial catalyst for calibration of aftertreatment systems in diesel powered heavy duty vehicles

Azot oksitlerin (NOx) amonyak ile seçici katalitik indirgenmesi (SCR) dizelle çalışan ağır iş araçlarında NOx azaltılması için etkili bir yöntemdir. Bu çalışmanın ilk kısmında, bakır-kabazit (Cu-CHA) ile kaplanmış monolit bir reaktör içerisinde gerçekleşen standart SCR reaksiyonunun kütle transferi sınırlandırmaları tek reaksiyon modeli kullanılarak incelenmiştir. Aldığımız sonuçlara göre, düşük sıcaklıkta elde edilen esas kinetik parametreleri kullanarak yüksek sıcaklıktaki SCR aktivitesi doğru hesaplanamamaktadır. Ayrıca dış kütle transfer kısıtlamaları 350 °C'nin üstünde etkilerini göstermeye başlamaktadır. Buna göre, çalışmanın ikinci kısımda, Cu-CHA katalizöründeki NOx'un amonyak SCR ile indirgenmesi için iç ve dış kütle transfer kısıtlamalarını da içeren çok siteli bir kinetik model geliştirilmiştir. Monolit reaktörde NH3 adsorpsiyon ve desorpsiyon, NH3 oksitlenmesi, NO oksitlenmesi, standart SCR reaksiyonu ve ek olarak N2O oluşumu reaksiyonları 100 ila 600 °C arasında ayrı ayrı incelenmiştir. Cu-CHA üzerinde 3 farklı amonyak depolama sitesi olduğunu varsayan kinetik modelden elde edilen NH3 adsorpsiyon ve desorpsiyon profili ile deneyden elde dilen profil iyi uyum göstermiştir. Bu 3 sitenin kabazitin 6-üyeli halkasının yakınına/üstüne bağlanan 1-bakır türleri, bakır-oksit kümelenmeleri ya da yüksek sıcaklıkta zeolitin daha büyük kısımlarına göç eden bakırlar ve amonyağın zayıf bağ ile bağlandığı yerler olduğu düşünülmektedir. NH3 adsorpsiyon, breakthrough ve sıcaklık programlı desorpsiyon verisi kullanılarak site yoğunlukları ve kare kanallı kordirit arı kovanı tipi monoliti için kütle transfer katsayısı korelasyonundaki katsayılar, (𝑆ℎ = 𝐴(1 + 𝐵(𝑅𝑒)(𝑆𝑐)(𝑑ℎ/𝐿))𝐶), bulunmuştur. Ayrıca NH3 adsorpsiyon & desorpsiyon, NH3 oksitlenmesi, NO oksitlenmesi, standart SCR reaksiyonu ve de N2O oluşumu reaksiyonlarının aktivasyon enerjileri ve preeksponensiyel katsayıları da deneysel verilerden elde edilmiştir. 3-siteli kinetik model sonuçları geniş bir sıcaklık aralığında (100 den 600 °C'ye) deneysel veriler ile mükemmel uyum göstermiştir. Parametre bulma esnasında kullanılmayan, farklı reaktör çıkışı akış hızlarına sahip standart SCR deneylerinin sonuçları da model sonuçları ile uyumlu bulunmuştur. Bu çalışmanın sonucunda literatürdeki monolit reaktörler için önerilen kütle transfer katsayısı korelasyonlarının bu tarz sistemler (NH3-SCR) için uygun olmadığı gösterilmiştir.